張亭亭，孫冬陽(yáng)，徐秋燕，鄔淑芳，何　力，陳益人

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天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝探究

張亭亭，孫冬陽(yáng)，徐秋燕，鄔淑芳，何力，陳益人*

（武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200）

為了研究天然綠色棉麻纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)探究不同工藝條件的提取效果，得出超聲波輔助提取天然綠色棉纖維中黃酮的最佳提取工藝為：氫氧化鈉濃度為0.15%，提取溫度70℃，乙醇濃度為50%，料液比為1：40，提取時(shí)間為1h，提取功率為500W。并且在所有影響因素中提取溫度的影響最大，其他依次為乙醇濃度，料液比，氫氧化鈉濃度，提取時(shí)間，提取功率。

棉纖維；黃酮提??；最佳提取工藝

天然彩棉在加工生產(chǎn)中，無(wú)需染色，減少了污水排放對(duì)環(huán)境造成的污染。在環(huán)保方面的巨大優(yōu)勢(shì)，使得天然彩棉制品受到人們的喜愛追捧[1]。然而正因?yàn)榇?，相關(guān)問(wèn)題也隨之而來(lái)。目前對(duì)天然彩棉和染色棉的鑒別缺乏完善的理論依據(jù)和適用于市場(chǎng)的實(shí)際鑒別標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致很多商家投機(jī)取巧，直接將染色棉制品充當(dāng)天然彩棉制品出售，欺騙消費(fèi)者，這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了天然彩棉的進(jìn)一步發(fā)展[2]。由于天然彩色棉和染色棉中黃酮類化合物含量不同，所以可以通過(guò)棉纖維中黃酮化合物的含量鑒別天然彩色棉和染色棉。

近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)于超聲波輔助提取植物中提取黃酮類化合物的研究報(bào)道很多。利用超聲波的空化、攪拌作用可以破壞植物細(xì)胞壁，幫助有效成分的快速釋放，并且與溶劑更快速有效的混合在一起[3]。與耗時(shí)耗力的傳統(tǒng)提取方法相比，該方法簡(jiǎn)便快捷，效率高。本論文的研究目的是通過(guò)一系列的正交實(shí)驗(yàn)得出提取天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：天然綠色棉纖維（由新疆纖檢局提供）

試劑：石油醚，無(wú)水乙醇（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），以上試劑均為分析純；蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品處理

將天然綠色棉纖維置于60℃下干燥1h，粉碎。稱取8g天然綠色棉纖維（型號(hào)：FA2004型電子天平；廠家：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司），在250ml的圓底燒瓶中，加入150ml沸點(diǎn)為60-90℃的石油醚在80℃恒溫水浴中回流處理8h，抽濾2~3次，置于通風(fēng)處一段時(shí)間以揮發(fā)干石油醚，待用。

1.3 超聲波輔助提取操作過(guò)程

將浸泡在乙醇中的棉纖維置于超聲波清洗槽(型號(hào)：JP-100ST；超聲波頻率40kHZ；內(nèi)膽尺寸：500×300×200mm；廠商：深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司)中。在要求的超聲溫度，超聲時(shí)間和超聲功率下輔助提取棉纖維中總黃酮類化合物。超聲完成后，用循環(huán)水式抽濾裝置（型號(hào)：SHZ-D(III)；功率：180w；工作電源：220v；轉(zhuǎn)速：2800r/min；內(nèi)膽尺寸：400×285×420；廠商：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）抽濾2~3次，過(guò)濾液轉(zhuǎn)移至100ml定容瓶中待用。

1.4 脫脂處理對(duì)天然綠色棉纖維中黃酮類化合物提取的影響

稱取兩份5g天然綠棉，一份按照步驟1.2用石油醚進(jìn)行脫脂處理，另一份不經(jīng)過(guò)石油醚處理。分別置于500ml燒杯中，加入250ml、70%乙醇浸泡棉纖維。兩份纖維都按照步驟1.3的方法用超聲波輔助提取，其中提取溫度設(shè)置為50℃，提取時(shí)間60min，提取功率300w。過(guò)濾得到提取液，在200-800nm波長(zhǎng)下用紫外分光光度計(jì)掃描其吸光度。

1.5 天然綠色棉纖維總黃酮類化合物提取液的紫外光譜分析

稱取5g天然綠棉置于500ml燒杯中，加入250ml、70%乙醇浸泡棉纖維。按照步驟1.3的方法用超聲波輔助提取，其中提取溫度設(shè)置為50℃，提取時(shí)間60min，提取功率300w。過(guò)濾得到提取液，在200-800nm波長(zhǎng)下用紫外分光光度計(jì)掃描200-800nm處的吸光度。分別取過(guò)濾后的提取液10毫升和25毫升置于50毫升容量瓶中，用70%乙醇稀釋定容，得到稀釋5倍和2倍的稀釋提取液。在200-800nm波長(zhǎng)下掃描其吸光度。

1.6 單因素實(shí)驗(yàn)

采用單因素探究料液比、乙醇濃度、提取溫度、提取功率、提取時(shí)間、氫氧化鈉濃度共5個(gè)因素，每個(gè)因素各5個(gè)水平對(duì)超聲波輔助乙醇提取天然綠色棉纖維中黃酮提取的影響。

1.6.1 料液比對(duì)黃酮類化合物提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時(shí)間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，料液比如表1所示。

表1 不同料液比下的提取工藝

1.6.2 乙醇濃度對(duì)黃酮提取的影響

固定料液比1：50，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時(shí)間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，乙醇濃度如表2所示。

表2 不同乙醇濃度下的提取工藝

1.6.3 提取溫度對(duì)黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，料液比1：50，提取功率300W，提取時(shí)間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，提取溫度如表3所示。

表3 不同提取溫度下的提取工藝

1.6.4 提取功率對(duì)黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，料液比1：50，提取時(shí)間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，提取功率如表4所示。

表4 不同提取功率下的提取工藝

1.6.5 提取時(shí)間對(duì)黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，料液比1：50，氫氧化鈉濃度0.15%，提取時(shí)間如表5所示。

表5 不同提取時(shí)間下的提取工藝

1.6.6 氫氧化鈉濃度對(duì)黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時(shí)間30min，料液比1：50，氫氧化鈉濃度如表6所示。

表6 不同氫氧化鈉濃度下的提取工藝

1.7 正交實(shí)驗(yàn)

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提取功率的變化對(duì)提取效果的影響幾乎可以忽略，因此該因素不參與正交實(shí)驗(yàn)的討論中。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，從各個(gè)單方面因素來(lái)說(shuō)，以下水平下的提取效果非常不理想，分別為：提取溫度為30℃時(shí)，乙醇濃度為90%時(shí)，料液比為1：30時(shí)，提取時(shí)間70min時(shí)，氫氧化鈉濃度為0.11%時(shí)。因此這些因素下的水平不參與正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。綜上所述，五因素四水平正交實(shí)驗(yàn)方案如表7所示。

表7 五因素四水平正交試驗(yàn)表

1.8 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性及是否具有重現(xiàn)性，往往會(huì)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)驗(yàn)證。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，relative standard deviation)通?？梢杂脕?lái)表示測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性。其計(jì)算公式為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)=標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)/計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值(X)*100%，可通過(guò)EXCEL計(jì)算得到。在最佳提取方案條件下，進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，測(cè)試提取液吸光度值，計(jì)算出RSD值，若RSD值小于5%，說(shuō)明該方法精密度好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，重復(fù)性高，符合含量分析要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 天然綠色棉纖維中總黃酮類化合物提取液的紫外光譜分析

天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液經(jīng)稀釋后的紫外光譜圖如圖1所示。

由圖1可知天然綠色棉纖維總黃酮類化合物提取液紫外光譜圖在200-400nm區(qū)域均有兩個(gè)主要吸收波，而且特征明顯。其中吸收波I為264nm左右；吸收波II為363nm左右，為黃酮類化合物的特征波長(zhǎng)。

圖1 天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外光譜圖

圖2 天然綠色棉纖維脫脂處理前后色素溶液的紫外圖譜

2.2 脫脂處理對(duì)天然綠色棉纖維中總黃酮類化合物提取的影響

由圖2分析可知，經(jīng)石油醚處理天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外吸收強(qiáng)度大于未經(jīng)石油醚預(yù)處理的天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外吸收強(qiáng)度，由此可見經(jīng)石油醚預(yù)處理后，大大提高了天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的提取效果，分析原因可能為棉纖維表面的臘脂類物質(zhì)阻礙了棉纖維中黃酮類化合物的浸出，而經(jīng)石油醚浸泡后，棉纖維表面的大部分臘脂物質(zhì)被除去。

故為了盡可能提高天然綠色棉纖維中黃酮的提取效率，本實(shí)驗(yàn)后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的天然綠色棉纖維均按照實(shí)驗(yàn)步驟1.2對(duì)天然綠色棉纖維采用石油醚進(jìn)行預(yù)處理。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 料液比對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，各個(gè)料液比條件下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖3所示所示。

圖3 料液比對(duì)黃酮提取的影響

圖4 乙醇濃度對(duì)黃酮提取的影響

結(jié)合圖3分析可知，當(dāng)料液比為1:30時(shí)，由于乙醇溶液尚未將棉纖維完全浸沒(méi)，導(dǎo)致棉纖維中大部分黃酮類化合物沒(méi)有被充分提取出來(lái)，故提取液的吸光度值最小，隨著溶劑量的增加，吸光度值明顯提高，說(shuō)明黃酮相對(duì)含量明顯增加，但在1：40以后吸光度值又明顯下降，這是因?yàn)殡S著溶劑量的增加，黃酮類化合物相對(duì)濃度減小，最終確認(rèn)料液比1：40為天然綠棉纖維中黃酮類化合物提取的最佳料液比。

2.3.2 乙醇濃度對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，不同乙醇濃度得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖4所示。

結(jié)合圖4分析可知，乙醇濃度介于10%-70%時(shí)，隨著乙醇濃度的增大，吸光度逐漸增大，在70%時(shí)吸光度值達(dá)到最大，濃度在繼續(xù)增加時(shí)吸光度值開始下降。推測(cè)可能原因?yàn)槊蘩w維中黃酮在不同濃度乙醇溶液中的溶解度不同，當(dāng)溶劑濃度大于70%時(shí)，棉纖維中黃酮溶解度反而減小，大大降低了棉纖維中黃酮的提取效率。最終確認(rèn)天然綠棉纖維中黃酮提取的最佳乙醇濃度為70%。

2.3.3 提取溫度對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，不同提取溫度下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖5所示。

圖5 提取溫度對(duì)黃酮提取的影響

圖6 功率對(duì)黃酮類化合物提取效果的影響

結(jié)合圖5分析可知，當(dāng)溫度為30℃，40℃時(shí)，吸光度值非常低，說(shuō)明當(dāng)溫度較低時(shí)，棉纖維中黃酮的提取效果不明顯，伴隨著溫度的不斷升高，吸光度值逐漸增大，且增加趨勢(shì)明顯，70℃時(shí)吸光度達(dá)到最大，即提取效果好，同時(shí)也說(shuō)明在提取溫度達(dá)到70℃時(shí)，棉纖維中黃酮并沒(méi)有遭到破壞。相關(guān)文獻(xiàn)指出，在溫度80℃或者更高時(shí)會(huì)導(dǎo)致黃酮不穩(wěn)定甚至被破壞導(dǎo)致分解，而且提取溫度過(guò)高對(duì)實(shí)驗(yàn)操作也帶來(lái)不便，因此最終確認(rèn)提取溫度70℃為天然綠棉纖維中黃酮提取的最佳溫度。

2.3.4 提取功率對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，不同提取功率下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖6所示。

結(jié)合圖6分析可知，提取功率介于200-500w時(shí)，隨著功率的增加吸光度值有所提升，但趨勢(shì)不明顯，500w時(shí)吸光度達(dá)到最大，500w之后吸光度反而開始下降。最終確認(rèn)功率500W為天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取功率。

2.3.5 提取時(shí)間對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，不同提取時(shí)間下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖7所示。

圖7 提取時(shí)間對(duì)黃酮提取的影響

圖8 氫氧化鈉濃度對(duì)黃酮類化合物提取效果的影響

結(jié)合圖7分析可知，時(shí)間介于30-50min時(shí)，伴隨著時(shí)間的延長(zhǎng)吸光度值不斷上升，50min時(shí)吸光度值達(dá)到最大，但隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，吸光度反而減小。這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間延長(zhǎng)，越來(lái)越多的黃酮與乙醇-水分子結(jié)合而被提取出來(lái)，因此效率增高。超聲時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)（超過(guò)1.0h），黃酮可能會(huì)遭到破壞，致使提取效率降低。最終確認(rèn)提取時(shí)間50min為天然綠棉纖維中的最佳提取時(shí)間。

2.3.6 氫氧化鈉濃度對(duì)黃酮提取的影響

其他提取條件相同時(shí)，不同氫氧化鈉濃度下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖8所示。

結(jié)合圖8分析可知，氫氧化鈉濃度在0.11%-0.15%之間，隨著氫氧化鈉濃度的增大，吸光度逐漸增大，在0.15%時(shí)吸光度達(dá)到最大，0.15%以后吸光度反而減小。最終確認(rèn)氫氧化鈉濃度0.15%為天然綠棉纖維中黃酮的最佳濃度。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 五因素四水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表8數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出超聲波輔助乙醇提取天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取組合為A4B3C1D4E2，在此基礎(chǔ)上的吸光度為1.239。通過(guò)極差分析可以更具體的得出影響超聲波輔助乙醇法提取天然綠棉纖維中黃酮提取效果的主次因素為：因素A（溫度）>因素B（乙醇濃度）>因素C(料液比)>因素E（氫氧化鈉濃度）>因素D(提取時(shí)間)。而在因素A中四個(gè)水平的提取效果比較中，水平A4最好，即提取溫度為70℃；在因素B中四個(gè)水平的提取效果比較中，水平B3最好，即乙醇濃度為50%；在因素C四個(gè)水平的提取效果比較中，水平C1最好，即料液比為1：40；在因素D四個(gè)水平的提取效果比較中，水平D4最好，即提取時(shí)間60min；在因素E四個(gè)水平的提取效果比較中，水平E2最好，即氫氧化鈉濃度為0.15%。在已知最佳提取方案A4B3C1D4E2條件下，進(jìn)行三次棉纖維中黃酮提取實(shí)驗(yàn)，得到天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值分別為1.238，1.205，1.224，RSD值為1.36%，遠(yuǎn)小于5%，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)石油醚脫脂處理后，棉纖維中黃酮類化合物的提取效率大大提高。

（2）單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，天然綠棉纖維中黃酮類化合物提取的最佳料液比為1:40，最佳乙醇濃度為70%，最佳提取溫度為70℃，最佳提取功率為500W，最佳提取時(shí)間為50min，最佳氫氧化鈉濃度為0.15%

（3）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，提取溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響最大，其他依次為乙醇濃度，料液比，氫氧化鈉濃度，提取時(shí)間，提取功率?？梢缘贸龀暡ㄝo助乙醇提取天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取組合為提取溫度70℃、乙醇濃度50%、提取時(shí)間60min；料液比1：40、氫氧化鈉濃度0.15%。通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)證明，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

[1] 劉芳．天然彩色棉與染色棉鑒別方法究[D]．上海：東華大學(xué)，2008．

[2] 胡伯陶．淺議天然彩色棉的色彩及其產(chǎn)品加工中的幾個(gè)問(wèn)題[J]．棉紡織技術(shù)，2002，(05).

[3] 馬厲芳，吳春霞，阿不都拉·阿巴斯，等．超聲波提取紫草葉中總黃酮的工藝研究[J]．食品科學(xué)，2007，28(10)：275-278．

Study on the Optimization of Extraction Technology of Flavonoids from Naturally Green Cotton

ZHANG Ting-ting, SUN Dong-yang, XU Qiu-yan, WU Shu-fang, HE Li, CHEN Yi-ren

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

In order to study the optimum extraction technology of flavonoid compounds in natural green cotton, in this study, based on the single factor experiment. The effect of multiple variables on ultrasonic assisted extraction (UAE) of total flavonoid compound (TFC) from naturally green cotton using orthogonal array design was investigated. Five variables, including the liquid-solid ratio, ethanol concentration, extraction temperature, extraction time, sodium hydroxide concentration were selected as the main factors, and each factor was studied at four levels. An index, the absorbance value of 264nm was used to evaluate the effect of different extraction scheme on the extraction of naturally green fiber TFC. The result showed that the optimum UAE condition in this study were found to be A,B,C,D,E for 1:40 liquid-solid ratio, 50% ethanol concentration, 70℃ extraction temperature, 1h extraction time, 0.15% sodium hydroxide concentration. And the range analysis revealed that the extraction efficiency is influenced mostly by ultrasonic temperature, and then followed by ethanol concentration, the liquid-solid ratio, sodium hydroxide concentration, ultrasonic time.

natural colored cotton; the flavonoid compound’s extraction; the optimization technology

TS102.2

A

2095－414X(2017)03－0035－07

陳益人（1964-），女，教授，研究方向：紡織品設(shè)計(jì)及檢驗(yàn).